FR2789384A1 - Glass-making raw materials preparation involves thermal conversion of silica and halides, especially chlorides, or sulfates or nitrates of alkali and/or alkaline earth and/or rare earth metals using immersed burner - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE PREPARATION DE MATIERES PREMIERESPROCESS FOR THE PREPARATION OF RAW MATERIALS
POUR LA FABRICATION DE VERREFOR THE MANUFACTURE OF GLASS
L'invention concerne un procédé de préparation de certaines des The invention relates to a process for the preparation of some of the
matières que l'on peut utiliser pour fabriquer du verre. materials that can be used to make glass.
Dans le contexte de la présente invention, on comprend par " matières premières " tous les matériaux, matières vitrifiables, minerais naturels ou produits synthétisés, matériaux issus de recyclage du type calcin etc. In the context of the present invention, the term "raw materials" includes all materials, batch materials, natural ores or synthesized products, materials derived from cullet type recycling, etc.
, qui peuvent entrer dans la composition venant alimenter un four verrier. De même, on comprend par " verre " le verre au sens large, c'est-à-dire englobant tout matériau à matrice vitreuse, vitrocéramique ou céramique. Le terme de " fabrication " comprend l'étape de fusion indispensable des matières premières et éventuellement toutes les étapes ultérieures/complémentaires visant à affiner/conditionmer le verre en fusion en vue de sa mise en forme définitive, notamment sous forme de verre plat (vitrages), de verre creux (flacons, bouteilles), de verre sous forme de laine minérale (verre ou roche) utilisée pour ses propriétés d'isolation thermique ou phonique ou même éventuellement de verre sous..DTD: forme de fils dits textile utilisés dans le renforcement. , which can enter into the composition coming to feed a glass furnace. Likewise, "glass" is understood to mean glass in the broad sense, that is to say encompassing any material with a vitreous matrix, vitroceramic or ceramic. The term "production" includes the essential melting stage of the raw materials and possibly all the subsequent / complementary stages aimed at refining / conditioning the molten glass with a view to its final shaping, in particular in the form of flat glass (glazing ), hollow glass (flasks, bottles), glass in the form of mineral wool (glass or rock) used for its thermal or sound insulation properties or even possibly glass under..DTD: form of so-called textile threads used in the reinforcement.
L'invention s'intéresse tout particulièrement aux matières premières nécessaires pour fabriquer les verres ayant une teneur significative en The invention is particularly interested in the raw materials necessary for manufacturing glasses having a significant content of
alcalins, notamment en sodium, par exemple les verres de type silico- alkaline, especially sodium, for example glasses of the silico-
sodo-calcique utilisés pour faire du verre plat. La matière première actuellement la plus fréquemment utilisés pour apporter le sodium est le soda-lime used to make flat glass. The raw material currently most frequently used to provide sodium is
carbonate de sodium Na2CO3, choix qui n'est pas dénué d'inconvénients. sodium carbonate Na2CO3, a choice which is not without drawbacks.
En effet, d'une part ce composé n'apporte que le sodium comme élément constitutif du verre, toute la partie carbonée se décomposant sous forme de dégagements de C02 lors de la fusion. D'autre part, il s'agit d'une matière première onéreuse, comparativement aux autrcs, car c'est un produit de synthèse, obtenu par le procédé Solvay à partir de chloruIre de sodium et de calcaire, procédé imposant un certain nombre d'étapes de In fact, on the one hand, this compound provides only sodium as a constituent element of glass, the whole carbonaceous part decomposing in the form of CO 2 releases during melting. On the other hand, it is an expensive raw material, compared to others, because it is a synthetic product, obtained by the Solvay process from sodium chloride and limestone, process imposing a certain number of '' steps
fabrication et assez peu économe en énergie. manufacturing and not very energy efficient.
C'est la raison pour laquelle différentes solutions ont déjà été proposées pour utiliser comme source de sodium non pas un carbonate mais un silicate, éventuellement sous forme d'un silicate mixte d'alcalins (Na) et d'alcalino-terreux (Ca) que l'on prépare préalablement. L'utilisation de ce type de produit intermédiaire a l'avantage d'apporter conjointement plusieurs des constituants du verre, et de supprimer la phase de décarbonatation. Elle permet également d'accélérer la fusion des matières premières dans leur ensemble, et de favoriser leur homnogénéisation en cours de fusion, comme cela est indiqué, par exemple, dans les brevets FR-1 211 098 et FR-1 469 109. Cependant, cette voie pose le problème de la fabrication de ce silicate et ne propose pas de mode de synthèse This is the reason why different solutions have already been proposed to use as a sodium source not a carbonate but a silicate, possibly in the form of a mixed silicate of alkalines (Na) and alkaline-earth (Ca) that we prepare beforehand. The use of this type of intermediate product has the advantage of bringing together several of the constituents of the glass, and of eliminating the decarbonation phase. It also makes it possible to accelerate the melting of raw materials as a whole, and to promote their homnogenization during melting, as indicated, for example, in patents FR-1,211,098 and FR-1,469,109. However, this route poses the problem of manufacturing this silicate and does not offer a synthesis mode
pleinement satisfaisant.fully satisfactory.
L'invention a alors pour but la mise au point d'un nouveau procédé de fabrication de ce type de silicate, qui soit notamment apte à assurer une production industrielle avec une fiabilité, un rendement et un coût The object of the invention is therefore to develop a new manufacturing process for this type of silicate, which is in particular capable of ensuring industrial production with reliability, efficiency and cost.
acceptables.acceptable.
L'invention a tout d'abord pour objet un procédé d(le fabrication de composés à base de silicates d'alcalins tels que Na, K et/ou à base de terres rares comme le cérium Ce, éventuellement sous forme de silicates mixtes associant aux alcalins et/ou aux terres rares des alcalino- terreux tels que Ca ou Mg. Ce procédé consiste à synthétiser ces composés par conversion de silice et d'halogénure(s), notamment de clllorure(s), desdits alcalins et/ou desdites terres rares, du type NaCl, TKCI ou CeCI (et The invention firstly relates to a process d (the manufacture of compounds based on alkali silicates such as Na, K and / or based on rare earths like cerium Ce, optionally in the form of mixed silicates associating alkali and / or rare earths of alkaline earths such as Ca or Mg. This process consists in synthesizing these compounds by conversion of silica and halide (s), in particular of chloride (s), of said alkali and / or of said rare earths, of NaCl, TKCI or CeCI type (and
éventuellement des halogénures, notamment des chlorures d'alcalino- optionally halides, in particular alkaline chlorides
terreux, dans le cas des silicates mixtes), l'apport thermique nécessaire à cette conversion étant fourni, au moins pour partie, par un (des) earthy, in the case of mixed silicates), the heat input necessary for this conversion being supplied, at least in part, by one (s)
brûleur(s) immergé(s).submerged burner (s).
On comprend ici sous le terme de " silice " tout composé contenant majoritairement de la silice (oxyde de silicium) SiO2, même s'il peut également contenir d'autres éléments, d'autres composés minoritaires, ce qui est tout particulièrement le cas lorsqu'on utilise des maté riaux We understand here by the term "silica" any compound containing mainly silica (silicon oxide) SiO2, even if it can also contain other elements, other minority compounds, which is particularly the case when '' we use materials
naturels du type sable.natural sand type.
On comprend ici par a brûleurs immergés ", des brileurs configurés de manière à ce que les " flammes " qu'ils génèrent ou les gaz de combustion issus de ces flammes se développent dans le réacteur o s'opère la conversion, au sein même de la masse des matières en cours de transformation. Généralement, ils se trouvent disposés de façon a affleurer ou à dépasser légèrement des parois latérales ou de la sole du réacteur utilisé (on parle ici de flammes, même s'il ne s'agit pas à proprement parlé des mêmes " flammes " que celles produites par des Here we understand by "submerged burners", burners configured so that the "flames" that they generate or the combustion gases from these flames develop in the reactor where the conversion takes place, within the mass of the materials being transformed. Generally, they are arranged so as to be flush with or slightly protrude from the side walls or from the bottom of the reactor used (we are talking about flames here, even if they are not strictly speaking of the same "flames" as those produced by
brûleurs aériens, pour plus de simplicité). overhead burners, for simplicity).
L'invention a ainsi trouvé une solution technologique particulièrement judicieuse pour parvenir à exploiter industriellement une transformation chimique déjà proposée par Gay-Lussac et Thénard, à savoir la conversion directe de NaCl en soude, faisant intervenir la réaction de NaCl avec de la silice à haute température cn présence (- 'eau selon la réaction suivante: 2 NaCl + SiO2 + H20 4 Na2SiO3 + 2 HCI le principe consistant à extraire la soude par formation du silicate, l'équilibre étant déplacé constamment dans le sens de la décomposition The invention has thus found a particularly judicious technological solution for achieving industrial exploitation of a chemical transformation already proposed by Gay-Lussac and Thénard, namely the direct conversion of NaCl to soda, involving the reaction of NaCl with high silica. temperature cn presence (- 'water according to the following reaction: 2 NaCl + SiO2 + H20 4 Na2SiO3 + 2 HCI the principle consisting in extracting the soda by formation of silicate, the equilibrium being constantly shifted in the direction of decomposition
du NaCl parce que les deux phases ne sont pas miscibles. NaCl because the two phases are not miscible.
Cette réaction posait jusqu'ici des problèmes de mise en oeuvre considérables, liés à des difficultés pour réaliser un m(lange intime des réactifs, et pour assurer leur renouvellement en cours de fabrication, liés également à des difficultés pour évacuer HCl sans qu'il réagisse à nouveau sur le silicate formé, pour extraire le silicate et pour parvenir à apporter This reaction has hitherto posed considerable processing problems, linked to difficulties in producing an intimate mixture of the reagents, and in ensuring their renewal during manufacture, also linked to difficulties in removing HCl without it reacts again on the silicate formed, to extract the silicate and to manage to provide
l'énergie thermique suffisante.sufficient thermal energy.
Utiliser des brûleurs immergés pour apporter cette énergie Use submerged burners to provide this energy
thermique résout en même temps la plupart de ces difficultés. thermal solves most of these difficulties at the same time.
En effet, avoir recours à un chauffage par des brûleurs immergés avait déjà été proposé pour assurer la fusion de matières vitrifiables pour faire du verre. On pourra par exemple se reporter aux brevets US-3 627 504, US-3 260 587 ou US-4 539 034. Mais y avoir recours dans le contexte précis de l'invention, à savoir la synthèse de silicates à partir de sels, est extrêmement avantageux: - ce mode de combustion génère en effet de l'eau, eau qui, on l'on vu plus haut, est indispensable à la conversion voulue. Grâce aux br leurs immergés, on peut ainsi fabriquer in situ l'eau nécessaire à la conversion, au moins en partie (même si, dans certains cas, un apport en eau complémentaire peut être nécessaire). On est aussi sûr d'introduire l'eau au sein même des autres produits de départ, à savoir la silice et le(s) sel(s) (on désignera par souci de concision sous le terme de " sels " tous les Indeed, having recourse to heating by submerged burners had already been proposed to ensure the melting of vitrifiable materials for making glass. We can for example refer to patents US-3,627,504, US-3,260,587 or US-4,539,034. However, use it in the precise context of the invention, namely the synthesis of silicates from salts, is extremely advantageous: - this mode of combustion indeed generates water, water which, as we have seen above, is essential for the desired conversion. Thanks to the immersed burners, it is thus possible to manufacture in situ the water necessary for the conversion, at least in part (even if, in certain cases, an additional supply of water may be necessary). We are also sure to introduce water into the other starting materials, namely silica and salt (s) (we will designate for the sake of brevity by the term "salts" all
halogénures de type chlorures d'alcalins, de terres rares, et d'alcalino- halides such as alkali, rare earth and alkaline chlorides
terreux éventuellement, utilisés comme réactifs de départ), ce qui est bien sûr propice à favoriser la réaction, - par ailleurs, la combustion des brûleurs immergés provoque au sein des matières en cours de réaction de fortes turbulences, de forts mouvements de convection autour de chacune(s) des " flamme(s) " ct/ou de chacun des jets de gaz provenant de chacun des brûleurs. De fait, elle va donc assurer, au moins pour partie, un fort brassage entre les réactifs, brassage nécessaire pour garantir un mélange intime entre les différents réactifs, tout particulièrement ceux introduits sous forme solide (pulvérulente) comme la silice et le(s) sel(s), '- les brûleurs immergés sont aussi particulièrement intéressants sur le plan strictement thermique, car ils apportent la chaleur directement là o elle est nécessaire, à savoir dans la masse des produits en cours de réaction, en minimisant donc toute déperdition d'énergie, et parce qu'ils sont suffisamment puissants, efficaces pour que les réactifs puissent atteindre les températures relativement élevées nécessaires à leur fusion/à leur conversion, à savoir des températures d'au moins 1000 C, notamment de l'ordre de 1200 C, ils sont en outre un mode de chauffage particulièrement respectueux de l'environnement, en réduisant au minimum toute éventuelle émission de possibly earthy, used as starting reagents), which is of course conducive to favoring the reaction, - moreover, the combustion of the submerged burners causes in the materials under reaction strong turbulence, strong convection movements around each of the "flame (s)" and / or each of the gas jets from each of the burners. In fact, it will therefore ensure, at least in part, a strong stirring between the reagents, stirring necessary to guarantee an intimate mixture between the different reagents, especially those introduced in solid (powdery) form such as silica and the (s) salt (s), '- submerged burners are also particularly advantageous from a strictly thermal point of view, because they bring heat directly where it is needed, namely in the mass of the products under reaction, thus minimizing any loss of energy, and because they are powerful enough, effective so that the reactants can reach the relatively high temperatures necessary for their melting / conversion, namely temperatures of at least 1000 C, in particular of the order of 1200 C, they are also a particularly environmentally friendly mode of heating, minimizing any possible emission of
gaz de type NOx notamment.NOx type gas in particular.
On peut donc conclure que l'efficacité de ces brûleurs à tous les niveaux (qualité du mélange, excellent transfert thermique, un des réactifs généré in situ) fait que la conversion est grandement favorisée, et cela sans qu'il y ait nécessairement besoin d'atteindre des températures We can therefore conclude that the efficiency of these burners at all levels (quality of the mixture, excellent heat transfer, one of the reactants generated in situ) means that the conversion is greatly favored, and this without necessarily needing '' reach temperatures
extrêmement élevées.extremely high.
Le comburant choisi pour alimenter le(s) brûleur(s) immergé(s) peut être simplement de l'air. De préférence, on privilégie cependant un comburant sous forme d'air enrichi en oxygène, et même sous l-orme substantiellement d'oxygène seul. Une forte concentration en oxygène est avantageuse pour différentes raisons: on diminue ainsi le volume des fumées de combustion, ce qui est favorable sur le plan énergétique et évite tout risque de fluidisation excessives des matières en cours de réaction pouvant provoquer des projections sur les superstructures, la voûte du réacteur o s'opère la conversion. En outre, les " flammes " obtenues sont plus courtes, plus émissives, ce qui permet un transfert plus rapide de The oxidizer chosen to supply the submerged burner (s) may simply be air. Preferably, however, an oxidizer is favored in the form of air enriched in oxygen, and even in the form substantially of oxygen alone. A high oxygen concentration is advantageous for various reasons: this reduces the volume of combustion fumes, which is favorable from an energy point of view and avoids any risk of excessive fluidization of the materials in the course of the reaction which can cause splashes on the superstructures, the roof of the reactor where the conversion takes place. In addition, the "flames" obtained are shorter, more emissive, which allows faster transfer of
leur énergie aux matières en cours de fusion / conversion. their energy to the materials being melted / converted.
En ce qui concerne le choix du combustible pour le(s) brûleur(s) immergé(s), deux voies sont possibles, alternatives ou cumulatives: ' on peut choisir un combustible liquide du type fioul, ou gazeux du type gaz naturel (majoritairement du méthane), propane, hydrogène, - on peut aussi utiliser un combustible sous forme solide contenant du carbone, par exemple du charbon ou tout matériau contenant des Regarding the choice of fuel for the submerged burner (s), two ways are possible, alternative or cumulative: 'one can choose a liquid fuel of the fuel oil type, or gaseous of the natural gas type (mostly methane), propane, hydrogen, - one can also use a fuel in solid form containing carbon, for example coal or any material containing
polymères hydrocarbonés, éventuellement chlorés. hydrocarbon polymers, possibly chlorinated.
Les choix faits pour le comburant et le combustible des brûlleurs immergés influent sur la nature des produits obtenus, mis à part les silicates. Ainsi, quand les brûleurs sont alimentés en oxygène et en gaz naturel, on s schématiquement les deux réactions suivantes qui se produisent: (en partant du cas de figure le plus simple ou l'on veut faire du silicate de Na à partir de NaCl, mais on peut le transposer à tous les autres cas, o il s'agit de faire des silicates de K, de Ce, contenant Ca ou Mg, etc...): (a) 2 NaCI + SiO2 + H20 --) Na2SiO3 + 2 HCl (b) CH4 + 2 02 -4 C02 + 2 H20 On peut regrouper ces deux réactions en une seule (c) 4 NaCl + 2 SiO2 + CH4 + 2 O2 " 2 Na2SiO3 + 4 HCl + CO2 Quand on utilise un combustible de l'hydrogène plutôt que dii gaz naturel, on n'a plus d'émission de CO2, la réaction globale s'écrit (d) 4 NaCl + 2 SiO2 + 2 H2 + O2 " 2 Na2SiO3 + 4 HCl Quand on utilise un combustible sous forme solide, contenant du carbone, avec toujours un comburant sous forme d'oxygène, la réaction suivante s'écrit: (e) 2 NaCI + 3/2 02 + C + SiO2 - Na2SiO3 + C12 + C02 Cette fois, on ne produit donc plus du HCI, mais du chlore C12 The choices made for the oxidizer and fuel for submerged burners influence the nature of the products obtained, apart from silicates. Thus, when the burners are supplied with oxygen and natural gas, the following two reactions are schematically produced: (starting from the simplest case where we want to make Na silicate from NaCl, but we can transpose it to all the other cases, where it is a question of making silicates of K, of Ce, containing Ca or Mg, etc ...): (a) 2 NaCI + SiO2 + H20 -) Na2SiO3 + 2 HCl (b) CH4 + 2 02 -4 C02 + 2 H20 These two reactions can be combined in one (c) 4 NaCl + 2 SiO2 + CH4 + 2 O2 "2 Na2SiO3 + 4 HCl + CO2 When using a hydrogen fuel rather than natural gas, there is no more CO2 emission, the overall reaction is written (d) 4 NaCl + 2 SiO2 + 2 H2 + O2 "2 Na2SiO3 + 4 HCl When using a fuel in solid form, containing carbon, always with an oxidizer in the form of oxygen, the following reaction is written: (e) 2 NaCI + 3/2 02 + C + SiO2 - Na2SiO3 + C12 + C02 This time, so we no longer produce HCI, but chlorine C12
comme sous-produits de la conversion. as conversion byproducts.
Il est donc clair de ces différentes réactions-bilans que la conversion envisagée par l'invention génère également des dérivés halogénés, tout particulièrement des dérivés chlorés valorisables comme HCl ou Ci, que l'on retrouve dans les fumées de combustion. Deux voies d'utilisation sont possibles: -> l'une consiste à les retraiter comme des effluents. On peut ainsi neutraliser HCl avec du carbonate de calcium CaCO2, ce qui revient à fabriquer du CaCl2, éventuellement valorisable (pour le déneigement des routes par exemple), À-- l'autre voie consiste à considérer la conversion selon l'invention comme un moyen de fabriquer de manière industrielle HCI ou Cl2 produits chimiques de base largement utilisés dans l'industrie chimique. (On peut notamment substituer le HCl ou le Cl2 fabriqué selon l'invention au chlore obtenu par voie électrolytique qui est nécessaire à la fabrication de polymères chlorés du type PVC, polychlorure de vinyle). Dans ce cas, il faut alors les extraire des fumées et établir ainsi une fillare de production industrielle de HCl ou de Cl2, par exemple en implantant le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention directement dans un site de l'industrie chimique ayant besoin de ce type de produits chlores. Valoriser ainsi les dérivés chlorés formés permet d'abaisser encore le coût des matières premières porteuses d'alcalins nécessaires à la fabrication du verre. Un premier débouché pour les silicates fabriqués selon l'invention concerne l'industrie verrière: ils peuvent se substituer, au moins pour partie, aux matières premières traditionnelles pourvoyeuses d'alcalins ou de terres rares, avec tout particulièrement en ce qui concerne le sodium, une substitution au moins partielle du CaC03 par Na2SiO3. On peut donc employer les silicates de l'invention pour alimenter un four verrier, et ceci notamment de deux façons différentes: - la première façon consiste à traiter les silicates formés pour les rendre compatibles avec une utilisation en tant que matières premières vitrifiables pour four verrier: il s'agit donc de les extraire du réacteur et généralement de les mettre " à froid " en phase solide pulvérulente, notamment par une étape de granulation selon des techniques connues de l'industrie verrière. On a donc une déconnexion complète entre le processus de fabrication du silicate et le processus de fabrication du verre avec mise en forme appropriée, et stockage/transport éventuel du silicate formé avant qu'il n'alimente le four verrier, - la seconde façon consiste à utiliser le(s) silicate(s) formé(s) selon l'invention " à chaud ", c'est-à-dire à utiliser un procédé d(le fabrication du verre incorporant une étape préalable de fabrication du silicate venant alimenter, encore en fusion, le four verrier. On peut ainsi fabriquer le silicate dans un réacteur connecté au four verrier, constituant un de ses compartiments " amont " par opposition à ses éventuels compartiments It is therefore clear from these various balance-sheet reactions that the conversion envisaged by the invention also generates halogenated derivatives, in particular upgradable chlorinated derivatives such as HCl or Ci, which are found in combustion fumes. Two ways of use are possible: -> one consists in reprocessing them as effluents. It is thus possible to neutralize HCl with calcium carbonate CaCO2, which amounts to manufacturing CaCl2, possibly recoverable (for snow removal from roads for example), À-- the other way consists in considering the conversion according to the invention as a means of industrially manufacturing HCI or Cl2 basic chemicals widely used in the chemical industry. (In particular, HCl or Cl2 manufactured according to the invention can be substituted for the chlorine obtained by electrolytic means which is necessary for the manufacture of chlorinated polymers of the PVC, polyvinyl chloride type). In this case, it is then necessary to extract them from the fumes and thus establish a fillare of industrial production of HCl or Cl2, for example by implanting the device for implementing the method according to the invention directly in a site of the chemical industry. needing this type of chlorine products. Valuing the chlorine derivatives thus formed makes it possible to further lower the cost of the raw materials carrying alkalis necessary for the manufacture of glass. A first outlet for the silicates produced according to the invention relates to the glass industry: they can replace, at least in part, the traditional raw materials providing alkalis or rare earths, with very particularly with regard to sodium, at least partial substitution of CaCO3 with Na2SiO3. It is therefore possible to use the silicates of the invention to feed a glass furnace, and this in particular in two different ways: - the first way consists in treating the silicates formed to make them compatible with use as vitrifiable raw materials for glass furnace : it is therefore a question of extracting them from the reactor and generally of putting them "cold" in the pulverulent solid phase, in particular by a granulation step according to techniques known to the glass industry. There is therefore a complete disconnection between the silicate manufacturing process and the glass manufacturing process with appropriate shaping, and possible storage / transport of the silicate formed before it feeds the glass furnace, - the second way consists to use the silicate (s) formed according to the invention "hot", that is to say to use a process d (the manufacture of glass incorporating a prior step of manufacturing the silicate coming to feed , still in fusion, the glass furnace. One can thus manufacture silicate in a reactor connected to the glass furnace, constituting one of its "upstream" compartments as opposed to its possible compartments
" aval " destinés à l'affinage/le conditionnement du verre une fois fondu. "downstream" intended for the refining / conditioning of the glass once it has melted.
Dans ces deux cas de figure, le four verrier peut être de conception traditionnelle (par exemple four à fusion électrique par électrodes immergées, four à brûleurs aériens fonctionnant avec des régénérateurs latéraux, four à boucle, et tout type de four connu dans l'industrie verrière incluant ainsi les fours à brûleurs immergés), avec évEntuellemenl une conception et un mode de fonctionnement légèrement adaptés à un processus de fusion sans carbonate ou avec moins de carbonate que pour In these two cases, the glass furnace can be of traditional design (for example electric melting furnace by submerged electrodes, furnace with aerial burners operating with lateral regenerators, loop furnace, and any type of furnace known in the industry glass roof thus including the furnaces with submerged burners), with a design and an operating mode slightly adapted to a melting process without carbonate or with less carbonate than for
les fusions standards.standard mergers.
Il est à noter que certains silicates autres que le silicate de sodium sont également très intéressants à fabriquer selon l'invention. Ainsi, l'invention permet de fabriquer du silicate de potassium à partir de KCl, ce qui est, économiquement au moins, très avantageux comme matière première porteuse de Si et de K pour fabriquer des verres dits " à alcalins mixtes ", c'est-à-dire contenant à la fois Na et K. Ces verres sont notamment utilisés pour faire des écrans tactiles, des verres d'écran de télévision, des verres au plomb, des verres pour écran plasma de visualisation (" Plasma display Panel " en anglais"). De même, l'invention permet de fabriquer de façon plus économique des verres spéciaux contenant des additifs pour lesquels les chlorures sont moins chers que les oxydes. C'est le cas des terres rares comme le It should be noted that certain silicates other than sodium silicate are also very advantageous to manufacture according to the invention. Thus, the invention makes it possible to manufacture potassium silicate from KCl, which is, economically at least, very advantageous as a raw material carrying Si and K for manufacturing so-called "mixed alkaline" glasses, that is ie containing both Na and K. These glasses are used in particular for making touch screens, television screen glasses, lead glasses, glasses for plasma display screen ("Plasma display Panel" in In the same way, the invention makes it possible to more economically manufacture special glasses containing additives for which chlorides are less expensive than oxides. This is the case for rare earths such as
cérium: la présence d'oxyde de cérium conférant des propriétés anti U.V. cerium: the presence of cerium oxide conferring anti U.V. properties
aux verres, et les terres rares de ce type rentrent aussi dans la with glasses, and rare earths of this type also enter the
composition de verres spéciaux à haut module élastique pour disque dur. composition of special glasses with high elastic modulus for hard disk.
L'invention permet ainsi d'avoir une matière première porteuse de Si et de The invention thus makes it possible to have a raw material carrying Si and
Ce, le silicate de cérium, à un coût modéré. This, cerium silicate, at a moderate cost.
Un autre avantage annexe de l'invention est que la silice introduite au départ subit lors de la conversion en silicate une certaine déferrisation car le chlorure de fer est volatil: le verre produit à partir de ce silicate, en utilisant au moins une certaine quantité de ce silicate aura donc tendance à être plus clair qu'un verre n'utilisant pas du tout ce type de silicate. Cela est esthétiquement intéressant, et tend à augmenter le Facteur solaire du Another additional advantage of the invention is that the silica introduced at the start undergoes a certain deferrization during the conversion into silicate because the iron chloride is volatile: the glass produced from this silicate, using at least a certain amount of this silicate will therefore tend to be lighter than a glass not using this type of silicate at all. This is aesthetically interesting, and tends to increase the solar factor of the
verre (dans une application " verre plat "). glass (in a "flat glass" application).
Un second débouché pour les silicates fabriqués selon l'invention (ài part être utilisés comme matières premières pour four verrier), plus particulièrement le silicate de soude, concerne l'industrie des détergents; le silicate de soude Na2SiO3 entrant fréquemment dans la composition des A second outlet for the silicates produced according to the invention (apart from being used as raw materials for glass furnaces), more particularly sodium silicate, relates to the detergent industry; sodium silicate Na2SiO3 frequently used in the composition of
lessives/détergents.detergents / detergents.
Un troisième débouché pour les silicates (et éventuellement les dérivés chlorés) formés selon l'invention concerne la préparation de silices particulières, désignées communément sous le ter-me de " silices précipitées " entrant par exemple dans la composition des bétons. On peut en effet opérer une attaque acide des silicates formés selon l'invention, avantageusement par l'acide chlorhydrique HC1 qui a été également formé par la conversion selon l'invention, de manière à faire précipiter de la silice sous forme de particules ayant une granulométrie particulière: la dimension des particules visée est généralement nanométrique (1 à 100 A third outlet for the silicates (and optionally the chlorinated derivatives) formed according to the invention relates to the preparation of specific silicas, commonly referred to as "precipitated silicas" used, for example, in the composition of concretes. It is in fact possible to carry out an acid attack on the silicates formed according to the invention, advantageously with hydrochloric acid HC1 which has also been formed by the conversion according to the invention, so as to precipitate silica in the form of particles having a particular particle size: the particle size targeted is generally nanometric (1 to 100
nm par exemple).nm for example).
Le chlorure de sodium également formé lors de la précipitation de la silice peut avantageusement être recyclé, en servant à nouveau de matière première pour la fabrication de silicate selon l'invention tout particulièrement. Il s'agit ici d'un prolongement de l'invention, o, partant d'une silice particulaire de " grosse " granulométrie (de l'ordre du micron ou plus gros par exemple), on obtient à nouveau de la silice particulaire mais de dimension de particule bien inférieure, ce,- ontrôle et cettc dimension de taille ouvrant la voie à des utilisations très variées dans des The sodium chloride also formed during the precipitation of the silica can advantageously be recycled, again serving as a raw material for the manufacture of silicate according to the invention very particularly. This is an extension of the invention, where, starting from a particulate silica of "large" particle size (of the order of a micron or larger for example), particulate silica is again obtained but of much smaller particle size, this, - control and this size dimension opening the way to a wide variety of uses in
matériaux utilisés dans l'industrie. materials used in industry.
Une autre application intéressante du procédé concerne le traitement de déchets chlorés, tout particulièrement de déchets chlorés et carbonés tels que des polymères chlorés (PVC,...) la fusion par brûleurs immergés, selon l'invention, peut pyrolyser ces déchets, avec comme produits de combustion ultimes CO2 et HCl, HCl pouvant être, commne on l'a vu précédemment, neutralisé ou valorisé tel quel. On peut noter que ces déchets peuvent aussi alors servir de combustible solide porteur de carbone, ce qui de fait peut permettre de diminuer la quantil é de combustible à injecter au niveau des brûleurs. (Il peut s'agir d'autres types de déchets comme les sables de fonderie). La pyrolyse d' ces différents déchets est là encore intéressante du point de vue économique, car leur coût de traitement par ailleurs nécessaire vient en déduction du coût de production des silicates selon l'invention. Plutôt qu'une pyrolyse Another interesting application of the process relates to the treatment of chlorinated waste, very particularly of chlorinated and carbonaceous waste such as chlorinated polymers (PVC, ...) fusion by submerged burners, according to the invention, can pyrolyze this waste, with as ultimate combustion products CO2 and HCl, HCl possibly being, as we have seen previously, neutralized or recovered as it is. It can be noted that this waste can also then serve as solid carbon-carrying fuel, which in fact can make it possible to reduce the quantity of fuel to be injected at the level of the burners. (It can be other types of waste such as foundry sands). The pyrolysis of these different wastes is again interesting from an economic point of view, since their otherwise necessary treatment cost is deducted from the cost of producing the silicates according to the invention. Rather than pyrolysis
véritable de déchets, il peut aussi s'agir de vitrification. real waste, it can also be vitrification.
L'invention a également pour objet le dispositif de mise en oeuv-e du procédé selon l'invention, qui comporte de préférence un réacteur équipé de brûleur(s) immergé(s) et d'au moins un moyen d'introduction d(le la silice et/ou des halogénures sous le niveau des matières en fusion, The subject of the invention is also the device for implementing the method according to the invention, which preferably comprises a reactor equipped with burner (s) submerged (s) and at least one means for introducing d ( silica and / or halides below the level of molten materials,
notamment sous la forme d'une ou plusieurs enfourneuses à vis sans fin. in particular in the form of one or more worm feeders.
On peut ainsi introduire directement au sein de la masse( des produits en cours de fusion/réaction au moins ceux des réactifs de départ susceptibles de se vaporiser avant d'avoir le temps de réagir: on pense ici It is thus possible to introduce directly into the mass (products in the process of melting / reaction at least those of the starting reagents capable of vaporizing before having time to react: we think here
tout particulièrement au chlorure de sodium NaCl. especially sodium chloride NaCl.
De préférence, les parois du réacteur, notamment celles destinées a être en contact avec les différents réactifs/produits de réaction impliqués dans la conversion, sont munies de matériaux réfractaires doublés d'un garnissage de métal. Le métal doit être résistant vis-à-vis de différentes attaques corrosives, notamment ici de celles provoquées par HC1. On privilégie donc le titane, un métal de la même famille ou un alliage contenant du titane. Avantageusement, on peut prévoir que tous les éléments à l'intérieur du réacteur en débouchant dans ce dernier soient à base de ce type de métal ou protégés superficiellement par un revêtement de ce métal (les enfourneuses, les brûleurs immergés). Il.st préférable, que les parois du réacteur, et notamment aussi toutes les parties métalliques à l'intérieur de ce dernier soient associés à un système de refroidissement par circulation de fluide, du type boite à eau. Les parois peuvent également être entièrement métalliques, sans ou avec très peu des réfractaires standards que l'on utilise pour la construction des fours Preferably, the walls of the reactor, in particular those intended to be in contact with the various reactants / reaction products involved in the conversion, are provided with refractory materials lined with a metal lining. The metal must be resistant to various corrosive attacks, especially here those caused by HC1. We therefore prefer titanium, a metal of the same family or an alloy containing titanium. Advantageously, provision can be made for all the elements inside the reactor by opening into the latter to be based on this type of metal or surface protected by a coating of this metal (the oven chargers, the submerged burners). It is preferable that the walls of the reactor, and in particular also all the metal parts inside the latter, be associated with a cooling system by circulation of fluid, of the water box type. The walls can also be entirely metallic, with or without very few of the standard refractories used for the construction of ovens
verriers.glassmakers.
Les parois du réacteur définissent par exemple une cavité sensiblement cubique, parallélépipédique ou cylindrique (base catrrée, rectangulaire ou ronde). Avantageusement, on peut prévoir plusieurs points d'introduction des réactifs de départ, par exemple répartis de façon régulière dans les parois latérales du réacteur, sous forme notamment d'un certain nombre d'enfourneuses. Cette multiplicité des points d'amenée permet de limiter la quantité de réactifs au niveau de chacun The walls of the reactor, for example, define a substantially cubic, parallelepiped or cylindrical cavity (catreated, rectangular or round base). Advantageously, it is possible to provide for several points of introduction of the starting reactants, for example distributed regularly in the side walls of the reactor, in the form in particular of a number of ovens. This multiplicity of supply points makes it possible to limit the amount of reagents at the level of each
d'entre eux, et d'avoir un mélange plus homogène dans le réacteur. of them, and to have a more homogeneous mixture in the reactor.
Le réacteur selon l'invention peut aussi être équipé de différents moyens de traitement des effluents chlorés, notamment de récupération ou de neutralisation d'effluents du type C12, HC1, et/ou de moyens de séparation dans les effluents gazeux des particules solides, notammen't à base de chlorures métalliques. Ces moyens sont avantageusement The reactor according to the invention can also be equipped with various means for treating chlorinated effluents, in particular for recovering or neutralizing effluents of the C12, HC1 type, and / or means for separating solid particles from gaseous effluents, in particular 't based on metal chlorides. These means are advantageously
disposés dans la (les) cheminées évacuant les fumées hors du réacteur. arranged in the chimney (s) evacuating the fumes from the reactor.
Enfin, l'invention a également pour but un procédé d'élaboration de verre contenant de la silice et des oxydes d'alcalins du type Na2O, K20, O ou des oxydes de terres rares du type CeO2, par fusion de matières vitrifiables o l'apport thermique nécessaire à ladite fusion provient au moins pour partie de brûleurs immergés. Ici, l'invention réside dans le fait quLe les matières premières porteuses d'alcalins du type Na, K, ou de terres rares du type Ce sont au moins pour partie sous forme d'halogénures, notamment de chlorures, desdits éléments, comme NaCI, KCl, CeCI4. C'est ici le second aspect majeur de l'invention, o, en quelque sorte, tout se passe comme si on fabriquait le silicate précédemment décrit " in situ " lors du procédé même de fusion des matières vitrifiables pour faire du verre. L'intérêt économique à remplacer tout ou partie, notamment, du carbonate de sodium par du NaCI est clair. On retrouve ici les mêmes avantages que ceux mentionnés plus haut, concernant la fabrication de silicate indépendamment de celle du verre, à savoir notamment la moindre teneur en fer du verre, les valorisations possibles des dérivés (halogénés) chlorés produits, la pyrolyse ou vitrification de déchets éventuellement Finally, the object of the invention is also a process for producing glass containing silica and alkali metal oxides of the Na2O, K20, O type or rare earth oxides of the CeO2 type, by melting vitrifiable materials o l 'heat input necessary for said fusion comes at least in part from submerged burners. Here, the invention resides in the fact that the raw materials carrying alkalis of the Na, K type, or of rare earths of the Ce type are at least partly in the form of halides, in particular chlorides, of said elements, such as NaCl , KCl, CeCI4. This is the second major aspect of the invention, where, in a way, everything happens as if the previously described silicate were manufactured "in situ" during the very process of melting vitrifiable materials to make glass. The economic interest in replacing all or part, in particular, of sodium carbonate by NaCl is clear. We find here the same advantages as those mentioned above, concerning the manufacture of silicate independently of that of glass, namely in particular the lower iron content of the glass, the possible recoveries of the chlorinated (halogenated) derivatives produced, the pyrolysis or vitrification of waste possibly
aptes par ailleurs à servir de combustible solide... also suitable for use as solid fuel ...
L'invention sera ci-après détaillée à l'aide d'un mode de réalisation illustré par la figure suivante: Cl figure 1:une installation schématique pour fabriquer du silicate The invention will be detailed below using an embodiment illustrated by the following figure: Cl figure 1: a schematic installation for manufacturing silicate
de sodium selon l'invention.sodium according to the invention.
Cette figure n'est pas nécessairement à l'échelle et a été This figure is not necessarily to scale and has been
extrêmement simplifiée pour plus de clarté. extremely simplified for clarity.
Elle représente un réacteur 1 comprenant une sole 2 de [orme rectangulaire percée régulièrement de façon à être équipée de rangées de brûleurs 3 qui la traversent et pénètrent dans le réacteur sur une hauteur réduite. Les brûleurs sont de préférence recouverts de titane et refroidis à l'eau. Les parois latérales sont refroidies à l'eau également et comportent un revêtement de réfractaires électrofondus 5 ou sont entièrement métalliques à base de titane. Le niveau 5 des matières en cours de réaction/fusion est tel que les enfourneuses à vis sans fin 6 introduisent It represents a reactor 1 comprising a sole 2 of a rectangular elm pierced regularly so as to be equipped with rows of burners 3 which pass through it and enter the reactor over a reduced height. The burners are preferably covered with titanium and cooled with water. The side walls are also water cooled and have a coating of electrofused refractories 5 or are entirely metallic based on titanium. The level 5 of the materials in the course of reaction / melting is such that the worm feeders 6 introduce
les réactifs au niveau des parois latérales sous ce niveau. the reagents at the side walls below this level.
La sole comportant les brûleurs peut avoir une épaisseur de réfractaires électrofondus plus importante que les parois latérales. Elle est The hearth comprising the burners may have a thickness of deeper refractories than the side walls. She is
percée d'un trou de coulée 10 pour extraire le silicate. pierced with a tap hole 10 to extract the silicate.
La voûte 8 peut être une voûte plate suspendue constituée de matériaux réfractaires du type mullite ou zircone-inullite ou AZS (aluminezircone-silice) ou de tout matériau céramique résistant à HCI et ou NaCI. Elle est conçue de façon à être étanche aux fumées contenant du HCI: une solution non limitative pour garantir cette étanchéité consiste à utiliser une structure céramique en nid d'abeille constituée de pièces hexagonales creuses dans lesquelles on place un isolant. L'étanchéité est alors réalisée entre les pièces à l'extrados, par un mastic basse température résistant à HCl. Elle protège ainsi la structure porteuse métallique. La cheminée 9 est également construitec en matériaux résistants à HCI et NaCI (réfractaires en oxydes, carbure de silicium, graphite). Elle est munie d'un système de séparation des particules solides qui sont susceptibles de condenser (chlorures métalliques) et d'une tour à The vault 8 can be a suspended flat vault made of refractory materials of the mullite or zirconia-inullite or AZS (aluminezircone-silica) type or of any ceramic material resistant to HCI and or NaCI. It is designed so as to be impermeable to fumes containing HCI: a non-limiting solution to guarantee this impermeability consists in using a ceramic honeycomb structure made up of hollow hexagonal pieces in which an insulator is placed. Sealing is then carried out between the parts on the upper surface, using a low temperature sealant resistant to HCl. It thus protects the metallic support structure. The chimney 9 is also constructed of materials resistant to HCI and NaCI (refractory to oxides, silicon carbide, graphite). It is equipped with a system for separating solid particles which are liable to condense (metal chlorides) and a tower
récupération de HCl, qui ne sont pas représentés. recovery of HCl, which are not shown.
Une fois le silicate extrait du réacteur par le trou de coulée 10, il est acheminé vers un granulateur, non représenté, du type de ceux utilisé dans l'industrie verrière ou dans l'industrie du silicate de soude pour Once the silicate has been extracted from the reactor through the taphole 10, it is conveyed to a granulator, not shown, of the type used in the glass industry or in the sodium silicate industry for
lessive.Laundry.
Le procédé a pour but de fabriquer un silicate très concentré en sodium, ce que l'on quantifie de manière connue par un rapport en mole de Na2O par rapport au total (SiO2 + Na2O) aux environ de 50%", en introduisant dans le réacteur par les enfourneuses un mélange de sable (silice) et de NaC1. Ces deux réactifs peuvent être également introduits séparément, et peuvent avoir été éventuellement préchauffés avant The purpose of the process is to manufacture a silicate highly concentrated in sodium, which is quantified in a known manner by a molar ratio of Na2O relative to the total (SiO2 + Na2O) at around 50% ", by introducing into the reactor by the oven conveyors a mixture of sand (silica) and NaCl 1. These two reagents can also be introduced separately, and may have been optionally preheated before
introduction dans le réacteur.introduction into the reactor.
De préférence, les brûleurs 3 sont alimentés par de l'oxygène et du Preferably, the burners 3 are supplied with oxygen and
gaz naturel ou de l'hydrogène.natural gas or hydrogen.
La viscosité du mélange en cours de fusion/réaction et la vitesse de réaction élevée obtenue grâce à la technologie des brûleurs immergés permettent d'atteindre des tirées spécifiques élevées, pour donner un The viscosity of the mixture during fusion / reaction and the high reaction speed obtained thanks to the technology of the submerged burners allow to reach high specific draws, to give a
ordre de grandeur de par exemple au moins 10 tonnes/jour. order of magnitude of for example at least 10 tonnes / day.
En conclusion, le procédé de l'invention ouvre une nouvelle voie de fabrication à coût modéré de silicates, tout particulièrement de silicates de sodium, potassium, cérium. Il rentre également dans le contexte de la présente invention d'utiliser mutadis mutandi le même procédé pour fabriquer non plus des silicates alcalins ou de terres rares mais des titanates, des zirconates, des aluminates de ces éléments, (éventuellement In conclusion, the process of the invention opens a new way of manufacturing at moderate cost silicates, especially sodium, potassium and cerium silicates. It also falls within the context of the present invention to use mutadis mutandi the same process for no longer manufacturing alkali or rare earth silicates but titanates, zirconates, aluminates of these elements, (possibly
mélangés à des silicates).mixed with silicates).
On substitue ainsi au moins partiellement au silicium un métal, notamment appartenant aux métaux de transition et plus particulièrement de la colonne 4b du tableau périodique comme Ti, Zr ou aux métaux de la colonne 3a du tableau périodique comme AI. L'avantage A metal, in particular belonging to the transition metals and more particularly from column 4b of the periodic table such as Ti, Zr or to the metals of column 3a of the periodic table as AI, is at least partially substituted for silicon. The advantage
d'une telle substitution est que le produit obtenu est soluble dans l'eau. of such a substitution is that the product obtained is soluble in water.
L'attaque sélection de ces produits en solution aqueuse, notamment en utilisant l'acide chlorhydrique formé lors de la conversion, conduit à la précipitation de particules non plus de silice, comme mentionné plus haut dans le texte, mais de particules d'oxyde métallique correspondant comlme TiO2, ZrO2, A1203, généralement présentant des dimensions nanométriques comme lorsqu'on part de silice, et qui trouvent de nombreuses applications dans l'industrie. On peut ainsi les employer en tant que charges dans despolymères, dans les bétons, les incorporer dans des matériaux céramiques ou vitrocéramiques. On peut aussi exploiter leurs propriétés photocatalytiques: sont particulièrement visées les particules de TiO2 (qui peuvent être incorporées dans des revêtements photocatalytiques à propriétés anti- salissures pour tout matériau The attack on the selection of these products in aqueous solution, in particular by using hydrochloric acid formed during the conversion, leads to the precipitation of particles no longer of silica, as mentioned above in the text, but of metal oxide particles. corresponding as TiO2, ZrO2, A1203, generally having nanometric dimensions as when starting from silica, and which find numerous applications in industry. They can thus be used as fillers in polymers, in concretes, and incorporated into ceramic or glass-ceramic materials. We can also exploit their photocatalytic properties: particularly targeted are TiO2 particles (which can be incorporated into photocatalytic coatings with anti-fouling properties for any material
architectural, vitrage, etc...).architectural, glazing, etc ...).
Pour fabriquer selon l'invention ces titanates, zirconates, aluminates, on transpose directement le procédé décrit plus haut pour obtenir les silicates, en partant d'halogénures du type NaCl et des oxydes To manufacture according to the invention these titanates, zirconates, aluminates, the process described above is directly transposed to obtain the silicates, starting from halides of the NaCl type and oxides
métalliques des métaux impliqués (TiO2, ZrO2, A1203,...). metallic of the metals involved (TiO2, ZrO2, A1203, ...).
Alternativement, on peut utiliser comme produit de départ (le la conversion porteur du métal directement l'halogénure dudit métal et non plus son oxyde. Il peut notamment s'agir de chlorure comme TiC14, ZrCl4, AIC13 (on peut également choisir comme produits de départ porteurs du métal un mélange d'oxyde et de chlorure dudit métal). Dans ce cas, la matière porteuse d'alcalins peut être le même halogénuiire du type NaCl utilisé pour faire du silicate, ce sel pouvant être éventuellement complété Alternatively, it is possible to use as starting material (the conversion carrying the metal directly the halide of the said metal and no longer its oxide. It may in particular be chloride such as TiC14, ZrCl4, AIC13 (it is also possible to choose initially carrying the metal, a mixture of oxide and chloride of the said metal). In this case, the alkali-bearing material may be the same halogen of the NaCl type used to make silicate, this salt possibly being supplemented
ou remplacé par de la soude quand c'est l'alcalin sodium qui est impliqué. or replaced with soda when the alkaline sodium is involved.
Tout comme pour le cas de la " silice précipitée ", ce prolongement du procédé selon l'invention peut ainsi être vu comme un moyen de modifier, notamment d'abaisser la dimension des particules d'un oxyde métallique, de façon à lui ouvrir d'autres applications dans des matériaux industriels. As in the case of "precipitated silica", this extension of the process according to the invention can thus be seen as a means of modifying, in particular reducing the particle size of a metal oxide, so as to open it to other applications in industrial materials.
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